关于平面NAND微缩的限制,我们再讲一下工艺方面遇到的困难。
Cell结构限制
之前也提到过,在Cell微缩过程中,CG形成的裕量越来越少,也就是说在FG之间容纳CG的空隙变窄。下图是预测的CG宽度随结点演进的趋势。在1Y到1Z结点,FG和CG的宽度减小到5nm,工艺上非常困难。而且在这个尺度下,FG和CG在写入/擦除时的耗尽也难以控制,需要换成金属或硅化物。
强场限制
为了在Tox中产生足够的强场~10MV/cm,达到FN隧穿的要求,写入和擦除电压必须维持~22V。但是,Cell微缩后,相邻WL之间的电场变强,造成新的写入干扰模式。根据电磁仿真的结果,在CG到相邻FG之间存在9.7MV/cm的强场,足够发生FN隧穿使相邻Cell的Vt变低。
随着Cell微缩,WL周围的强场主要有几个危害:1、相邻FG的电子泄露到WL。2、WL之间发生泄漏甚至击穿。3、写入干扰。
电子数目限制
之前讲过,FG尺寸缩小,ONO介电层的电容减小,导致FG里存储的电子数目少到~100个,这时电子数目涨落变得明显,影响Vt分布的宽度。如果我们继续缩小FG,存储的电子数目更少时,隧穿就不能被看作简单的连续变化,而是分离的独立事件。那么我们评估Cell的性能和可靠性以及它本征的分布展宽,都需要采用不同的物理模型来描述。例如保持时间的分布,会从大量电子的高斯型分布,逐渐变成少电子的泊松分布。
图案化限制
NAND flash的Cell具有相当好的可微缩性,采用SA-STI工艺的cell可以从0.7um直接微缩到1Ynm结点。NAND flash的微缩通常只取决于光刻工艺的能力。从3Xnm结点开始,为了突破光刻的限制,NAND flash采用了双重图案化。到20nm一下,会进一步采用四重图案化工艺。当然,NAND的图案化也会遇到其他工艺里普遍的问题,例如线边缘粗糙度(LER)等。
工艺波动 Variation
工艺波动在小尺寸下越来越重要,影响到NAND Flash的性能和可靠性。随着结点演进,每类波动的影响占比也在变化。如图在25nm结点以下,RDF效应会成为占比最高的因素。但总体来说,每种工艺波动都占不可忽略的影响。
数据保持能力
随着Cell微缩,FG转角和边缘处的电场变强,不可避免的产生隧穿电流。从电磁仿真结果,可以看到FG边缘处的漏电流,最终导致数据保持能力变差。